CN110578049A - 一种基于模态控制的高低频振动-热时效复合应力均化设备 - Google Patents

一种基于模态控制的高低频振动-热时效复合应力均化设备 Download PDF

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Abstract

本发明设计了一种基于模态控制的高低频振动‑热时效复合应力均化设备，该设备包括机械式振动系统、电磁式振动系统、热时效系统和自动控制系统。机械式振动系统的工作频率为20‑150Hz，激振力最大15000N；电磁式振动系统的频率为60‑2000Hz，激振力最大为500N；热时效系统加热温度最高800℃，加热速率可调；自动控制系统将对上述的振动系统和热时效系统进行自动化控制。该设备可以为小型样件进行低频振动应力均化、高频应力均化、热时效应力均化和振动‑热复合时效应力均化实验。

Description

一种基于模态控制的高低频振动-热时效复合应力均化设备
技术领域
本发明专利涉及一种基于模态控制的高低频振动-热时效复合应力均化设备，它包括机械式振动系统、电磁式振动系统、热时效系统和自动控制系统。该设备具有低频振动应力均化、高频振动应力均化、热时效应力均化、振动-热复合应力均化的功能。
背景技术
随着工业技术的发展，对零件性能提出了更高的要求。零件从毛坯制造、零件加工、热处理甚至在服役期间，都伴随着残余应力的存在。残余应力的分布状态和大小，对零件尺寸稳定性、机械性能等有着很大的影响，通常零件的残余应力值越低越好。振动-热复合应力均化方法是一种新型的应力均化方法，该方法应力均化效果好、效率高、耗能少、绿色环保，但其应力均化的机理尚不明确，应力均化的设备较少，因此本发明提出一种基于模态控制的高低频振动-热时效复合应力均化设备。
发明内容
本发明提出一种基于模态控制的高低频振动-热时效复合残余应力均化设备，该设备包括机械式振动系统、电磁式振动系统、热时效系统和自动控制系统。机械式振动系统的工作频率为20-150Hz，激振力最大15000N；电磁式振动系统的频率为60-2000Hz，激振力最大为500N；热时效系统加热温度最高800℃，加热速率可控，时效箱内部尺寸为800*700*700mm；自动控制系统将对上述的振动系统和热时效系统进行管理和控制。上述设备可以为小型样件进行低频振动应力均化、高频振动应力均化、热时效应力均化和振动-热复合时效应力均化实验。
所述的机械式振动系统结构部分包括机械激振器15、机械激振器固定器16、振动平台17、减震支撑18、时效样件19、振动平台夹具20、M12螺栓21、模态调节块22，上述部件的位置关系如图1(b)所示。机械激振器15安装到振动平台17的中间位置，采用螺栓连接；减震支撑18安装在振动平台17的四个角上；时效样件19安装在振动平台17动应力最大的位置上；时效样件19采用压板式固定方式，夹具包括振动平台夹具20、M12螺栓；模态调节块22有多个，根据具体的实验条件进行配置，来调整机械式振动系统的模态振型；所述的机械式振动系统安装在时效箱6的底部。
所述的电磁式振动系统结构部分包括电磁激振连接器23、电磁激振夹具24、时效样件25、M12螺栓27、M12螺母28、夹具横杆29、夹具悬挂钢丝30、悬挂横杆31、U型卡固定器32、伸缩横杆33、悬挂钢丝34、吊环35、电磁激振器36，上述部件的位置关系如图1(c)所示。电磁激振器36采用悬挂安装，由伸缩横杆33、悬挂钢丝34、吊环35组成悬挂结构，以此来降低激振器质量对振动系统的影响；时效样件25固定在电磁激振夹具24上；电磁激振夹具24由左右两个构成，由M12螺栓27、M12螺母28、夹具横杆29组成夹具系统；夹具系统采用悬挂支撑，此时夹具系统和工件组成的振动系统的频率作为激振频率；悬挂结构由夹具悬挂钢丝30、悬挂横杆31和U型卡固定器32组成；U型卡固定器将悬挂横杆31固定在时效箱6的顶部。
所述的热时效系统的结构包括加热丝7、温度传感器2、箱门5、时效箱6。加热丝7安装在时效箱的后侧、右侧和左侧三个面上，加热丝7的总功率为10000W；温度传感器6安装在时效箱6的底部，且位置上下可调，测量时效样件附近的温度；
所述的自动控制系统包括输入输出设备、控制部分、电路部分和执行部分和反馈部分，其组成如图2所示。具体如下所述：
输入设备包括触控屏幕13、键盘和鼠标，可对实验参数进行设定，实验参数包括振动方式、振动频率、振动时间、热时效温度、升温速率、热时效时间；输出设备包括触控屏幕13、数字显示器12、绿色指示灯9、红色指示灯10，触控屏幕在进行实验时显示试验过程和设定的实验参数，数字显示器12显示振动频率、当前温度和电流参数，绿色指示灯9显示设备供电状态，亮起表示设备供电正常，红色指示灯10显示设备异常状态，亮起表示设备工作异常；上述的键盘和鼠标可通过接口面板1中的接口进行连接。
控制部分采用上位机和下位机的结构进行控制，上位机软件安装在工控主机上，下位机软件安装在ARM控制器上；工控主机连接触控屏幕13，通过串口协议与下位机进行通信；ARM控制器控制机械式振动系统、电磁式振动系统、热时效系统，并监测加速度计、电流传感器、电压传感器的状态，对设备运动状态做评估。机械式振动系统的控制部分包括激振器控制器、机械激振器、加速度计和ARM控制器，加速度计用磁性座安装在机械激振器固定器上；电磁式振动系统的控制部分包括DA转化模块、信号放大器、电磁激振器、加速度计和ARM控制器，ARM通过模拟信号发生器信号对电磁激振器进行控制。热时效系统控制部分包括电磁开关、电热丝、电磁继电器、温度传感器和ARM控制器，自动控制时效炉的温度。
电路部分包括220VAC-5VDC电源、220VAD-12V电源、空气开关；采用380V交流和220V交流混合供电。380VAC为大功率加热丝供电，220V为低功率的振动系统和自动控制系统系统供电。
反馈部分主要包括加速度计、电流传感器、电压传感器、行程开关、烟雾传感器、温度传感器，用于监测设备状态，当发生异常情况时，通过指示灯、扬声器提示操作人员，并在特殊情况下可以自动断电保护，防止发生危险。
附图说明
图1为高低频振动-热时效复合应力均化设备结构示意图
图2为高低频振动-热时效复合应力均化设备控制电路示意图
图1中的符号说明如下：
1.接口面板；2.温度传感器；3.万向轮；4.下箱体；5.箱门；6.时效箱；7.加热丝；8.急停按钮；9.绿色指示灯；10.红色指示灯；11.电源开关；12.数字显示器；13.触控显示器；14.上箱体；15.机械激振器；16.机械激振器固定器；17.振动平台；18.减震支撑；19.时效样件；20.振动平台夹具；21.M12螺栓；22.模态调节块；23.电磁激振连接器；24.电磁激振夹具；25.时效样件；26中箱体；27.M12螺栓；28.M12螺母；29夹具横杆；30.夹具悬挂钢丝；31.悬挂横杆；32.U型卡固定器；33.伸缩横杆；34.悬挂钢丝；35.吊环；36.电磁激振器；37.百叶窗挡板。
本发明的有益效果
(1)所述的设备具有低频机械式振动系统、高频电磁式振动系统，可以完成低频到高频的宽频段振动时效应力均化实验。
(2)所述的设备可以进行不同温度下的低频到高频的宽频段的振动-热复合应力均化实验，从而可以进一步研究低频和高频的振动-热复合应力均化效果和机理。
(3)所述的机械式振动系统可以通过在不同位置安装模态调节块对振动系统的模态振型进行调整，可将动应力最大位置调整到目标区域再进行振动，通过模态振型调整，可以使机械式振动应力均化方法的应用范围更加广泛。
(4)所述的电磁式振动系统可以通过更换不同类型的夹具来调整电磁式振动系统的模态频率和模态振型，通过模态振型和频率的调整，可以使电磁式振动应力均化的应用对象更加广泛。
(5)所述的自动控制系统可以控制机械式振动系统、电磁式振动系统、热时效系统以及三个系统的综合控制，输入参数即可按照要求自动完成实验。
(6)所述的自动控制系统还可以检测温度、振动频率、烟雾等状态，并综合判断设备运行状态，在发生危险时可自动报警并断电，使该模态控制的高低频振动-热时效复合应力均化设备更加安全。
具体实施方式
见图1(a)-(d)，本发明是一种基于模态控制的高低频振动-热时效复合应力均化设备，它是由本发明提出一种基于模态控制的高低频振动-热时效复合残余应力均化设备，该设备包括机械式振动系统、电磁式振动系统、热时效系统和自动控制系统。上述设备可以为小型样件进行低频振动应力均化、高频应力均化、热时效应力均化和振动-热复合时效应力均化实验。
所述的机械式振动系统结构部分包括机械激振器15、机械激振器固定器16、振动平台17、减震支撑18、时效样件19、振动平台夹具20、M12螺栓21、模态调节块22，上述部件的位置关系如图1(b)所示。机械激振器15安装到振动平台17的中间位置，采用螺栓连接；减震支撑18安装在振动平台17的四个角上；时效样件19安装在振动平台17动应力最大的位置上；时效样件19采用压板式固定方式，夹具包括振动平台夹具20、M12螺栓21，其中振动平台夹具20有可根据时效件来进行定制；模态调节块22有多个，根据具体的实验条件进行安装，调整机械式振动系统的模态振型，具体的配置方案可采用有限元模态分析进行确定；所述的机械式振动系统安装在时效箱6的底部，如图1(a)所述。
所述的电磁式振动系统结构部分包括电磁激振连接器23、电磁激振夹具24、时效样件25、M12螺栓27、M12螺母28、夹具横杆29、夹具悬挂钢丝30、悬挂横杆31、U型卡固定器32、伸缩横杆33、悬挂钢丝34、吊环35、电磁激振器36，上述部件的位置关系如图1(c)所示。电磁激振器36采用低刚度悬挂安装，由伸缩横杆33、悬挂钢丝34、吊环35组成悬挂结构；时效样件25固定在电磁激振夹具24上；电磁激振夹具24由左右两个构成，由M12螺栓27、M12螺母28、夹具横杆29组成夹具系统，电磁激振夹具24可根据时效样件进行定制；夹具系统采用悬挂支撑；悬挂结构由夹具悬挂钢丝30、悬挂横杆31和U型卡固定器32组成；U型卡固定器将悬挂横杆31固定在时效箱6的顶部，如图1(a)所述。
所述的热时效系统的结构包括加热丝7、温度传感器2、箱门5、时效箱6。加热丝7安装在时效箱6的后侧、右侧和左侧三个面上；温度传感器2安装在时效箱6的底部，且位置上下可调，测量时效样件附近的温度；时效箱6的材料采用无机陶瓷纤维，厚度为150mm；箱门5采用转动开启方式。
所述的自动控制系统包括输入输出设备、控制部分、电路部分和反馈部分，其组成如图2所示。具体如下所述：
输入设备包括触控屏幕13、键盘和鼠标，可对实验参数进行设定，实验参数包括振动方式、振动频率、振动时间、热时效温度、升温速率、热时效时间；输出设备包括触控屏幕13、数字显示器12、绿色指示灯9、红色指示灯10，触控屏幕在进行实验时显示试验过程和设定的实验参数，数字显示器12显示振动频率、当前温度和电流参数，绿色指示灯9显示设备供电状态，亮起表示设备供电正常，红色指示灯10显示设备异常状态，亮起表示设备工作异常；上述的键盘和鼠标可通过接口面板1中的接口进行连接。
控制部分采用上位机和下位机的结构进行控制，上位机软件安装在工控主机上，下位机软件安装在ARM控制器上；工控主机连接触控屏幕13，通过串口协议与下位机进行通信；ARM控制器控制机械式振动系统、电磁式振动系统、热时效系统，并监测加速度计、电流传感器、电压传感器的状态，对设备运动状态做评估。机械式振动系统的控制部分包括激振器控制器、机械激振器、加速度计和ARM控制器，加速度计用磁性座安装在机械激振器固定器上；电磁式振动系统的控制部分包括DA转化模块、信号放大器、电磁激振器、加速度计和ARM控制器，ARM通过模拟信号发生器信号对电磁激振器进行控制。热时效系统控制部分包括电磁开关、电热丝、电磁继电器、温度传感器和ARM控制器，自动控制时效炉的温度。
电路部分包括220VAC-5VDC电源、220VAD-12V电源、空气开关；采用380V交流和220V交流混合供电。380VAC为高功率加热丝供电，220V为低功率的振动系统和自动控制系统供电。
反馈部分主要包括加速度计、电流传感器、电压传感器、行程开关、烟雾传感器、温度传感器，用于监测实验状态，当发生异常情况时，通过指示灯、扬声器等提示操作人员，并在特殊情况下可以自行断电保护，防止发生危险。
该设备分为上箱体14、时效箱6、下箱体4。其中下箱体左侧面有接口面板1，其上的接口包括电脑USB接口、电磁激振器接口、供电接口；上箱体14和下箱体4后侧均安装百叶窗挡板37，并安装有散热风扇；上箱体内部安装有220VAC-5VDC电源、220VAD-12V电源、工控机、ARM控制器、信号放大器、DA模块、烟雾传感器、扬声器、电磁继电器；下箱体4中安装激振器控制器、电磁开关、机械式激振器。

Claims (8)

1.一种基于模态控制的高低频振动-热时效复合残余应力均化设备，其特征在于：它由机械式振动系统、电磁式振动系统、热时效系统和自动控制系统组成；机械式振动系统的工作频率为20-150Hz，激振力最大15000N；电磁式振动系统的频率为60-2000Hz，激振力最大为500N；热时效系统加热温度最高800℃,加热速率可控，时效箱内部尺寸为800*700*700mm；自动控制系统将对上述的振动系统和热时效系统进行管理和控制。
2.根据权利要求1所述的机械式振动系统结构部分包括机械激振器15、机械激振器固定器16、振动平台17、减震支撑18、时效样件19、振动平台夹具20、M12螺栓21、模态调节块22；减震支撑18安装在振动平台17的四个角上；时效样件19安装在振动平台17动应力最大的位置上；时效样件19采用压板式固定方式；模态调节块22有多个，根据具体的实验条件进行安装，可调整机械式振动系统的模态振型。
3.根据权利要求1所述的电磁式振动系统结构部分包括电磁激振连接器23、电磁激振夹具24、时效样件25、M12螺栓27、M12螺母28、夹具横杆29、夹具悬挂钢丝30、悬挂横杆31、U型卡固定器32、伸缩横杆33、悬挂钢丝34、吊环35、电磁激振器36；电磁激振夹具24由左右两部分构成，采用悬挂安装，可通过更换电磁激振器夹具来调整电磁式振动系统的模态频率和模态振型。
4.根据权利要求1所述的热时效系统的结构包括加热丝7、温度传感器2、箱门5、时效箱6；加热丝7安装在时效箱的后侧、右侧和左侧三个面上；温度传感器2安装在时效箱6的底部，且位置上下可调，测量时效样件附近的温度。
5.根据权利要求1所述的自动控制系统包括输入输出设备、控制部分、电路部分和反馈部分，其组成如图2所示。
6.根据权利要求5所述的输入设备包括触控屏幕13、键盘和鼠标，可对实验参数进行设定，实验参数包括振动方式、振动频率、振动时间、热时效温度、升温速率、热时效时间；输出设备包括触控屏幕13、数字显示器12、绿色指示灯9、红色指示灯10，触控屏幕在进行实验时显示试验过程和设定的实验参数，数字显示器12显示振动频率、当前温度、电流参数，绿色指示灯9显示设备供电状态，亮起表示设备供电正常，红色指示灯10显示设备异常状态，亮起表示设备工作异常；上述的键盘和鼠标可通过接口面板1中的接口进行连接。
7.根据权利要求5所述的电路部分包括220VAC-5VDC电源、220VAD-12V电源、空气开关组成；采用380V交流和220V交流混合供电；380VAC为高功率加热丝供电，220V为低功率的振动系统和控制系统系统供电。
8.根据权利要求5所述的反馈部分主要包括加速度计、电流传感器、电压传感器、行程开关、烟雾传感器、温度传感器，用于监测实验状态，当发生异常情况时，通过指示灯、扬声器等提示操作人员，并在特殊情况下可以自行断电保护，防止发生危险。
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